1251年，蒙哥繼承帝位後，爲了擴展領土，遵照成吉思汗拓展疆土，開藩建汗的遺願，展開第三次西征。
因蒙哥集中征服南宋，因而由旭烈兀進行第三次西征征戰中東。而且當時位於伊朗的木剌夷國不肯對蒙古稱臣和朝貢，因此蒙古藉此發起第三次西征。
西征過程：
1.征戰木剌夷國
1256年6月，魯克賴丁見到西征軍進攻，便派弟沙歆沙投降，又把要塞拆掉。後來，旭烈兀覺得魯克賴丁假意投降，便把西征軍分爲三部，向木刺夷都城麥門底司堡(即現今伊朗劍北部吉蘭省內)進軍。魯克賴丁於11月19日投降。12月，西征軍進入蘭麻撒耳。當時塔亦兒不花軍和波斯軍攻打蘭麻撤耳堡，並將蘭麻撤耳攻克。至此，木剌夷國全部被旭烈兀佔領。
2.征戰阿拔斯王朝
1257年9月21日，旭烈兀率軍向阿拔斯王朝(即現今伊拉克)進攻。阿拔斯哈里發穆斯臺綏木宣戰，建成7萬軍開戰,1258年1月，圍攻東巴格達。2月，穆斯臺綏木帶領皇子、貴族和官員投降，阿拔斯國正式滅亡。
3.征戰阿尤布王朝
旭烈兀之後繼續向西進攻。進入阿拉伯地區，戰勝巴爾蘇丹。1258年9月，大軍進軍敘利亞阿尤布王朝，蒙古分軍爲三進攻。至1259年3月21日，蒙古大軍圍攻大馬士革。於4月6日大馬士革投降。蒙古帝國佔領了敘利亞大部份國土。阿尤布王朝至此名存實亡，僅統治着哈馬一隅。
4.西征結束
蒙哥於合州戰死，怯的不花受旭烈兀命令，固守敘利亞，而旭烈兀則班師。9月，埃及的軍隊在大馬士革南方阿音扎魯特 (艾因.賈魯戰役)大敗蒙古軍，制止了蒙古帝國的擴張野心。蒙古帝國的第三次西征正式結束，蒙古三次西征亦正式完結。
西征影響：
作爲第三次西征的直接影響，1256年旭烈兀建立了伊利汗國。
伊利汗國(1256–1335年)：又譯伊兒汗國或伊爾汗國 ，蒙古帝國的四大汗國之一 ，元朝西南藩國，成吉思汗第四子拖雷之子旭烈兀所建。
其領土東起阿姆河和印度河，西面包有小亞細亞大部分地區，南抵波斯灣，北至高加索山。旭烈兀以蔑剌哈(今伊朗東阿塞拜疆省馬臘格)爲首都。
此外蒙古第三次西征除了屠城、滅族，減少了世界人口外，亦有助伊斯蘭世界、天主教世界及中國交流，這時的波斯天文學、西域醫藥便在此時傳入中國;而中國的印刷術、火藥，也經蒙古西征而傳入歐洲。第三次西征也象徵了蒙古擴張的停止。
